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顶板厚度探测技术在地下铝土矿的应用研究

发布时间：

2024-07-29 10:46

来源：

刘建龙，余超，董菊美

(中国铝业贵州分公司矿业公司，贵阳551413)

摘要：我国铝土矿多以缓倾斜薄矿脉沉积性矿床为主，普遍存在直接顶板稳固性差、矿体厚度不稳定的问题。铝土矿开采多应用空场法进行开采，依靠留设矿柱和留护顶矿的方式对顶板进行管理。因铝土矿矿层和直接顶板厚度变化较大，无法准确留设护顶矿厚度，造成矿石损失较多，为此探索性开展猫场矿区铝土矿直接顶板厚度快速探测方法，为采场回采作业过程中护顶矿留设厚度提供技术支撑。通过对顶板探测厚度设备选取并在井下进行现场试验，试验探测图像显示矿体和直接顶板总厚度误差为0．65 m，探测图像表明矿体与直接顶板界线不明确，SSP地质雷达在试验中达到了预期效果。

关键词：探地雷达；直接顶板；地下铝土矿；顶板厚度

中图分类号：TD353 文献标志码：A 文章编号：1671—4172(2018)06—0105—05

随着我国经济的快速发展，浅部铝土矿资源逐渐枯竭而铝土矿需求不断增加，铝土矿已由露天开采逐步转入地下开采[1]。我国地下铝土矿多以缓倾斜薄矿脉沉积性矿床为主，直接顶板为黏土岩和铝土岩，普遍存在直接顶底板稳固性差、矿体厚度不稳定的问题，造成开采过程中顶板管理难度较大[2-3]。国内铝土矿地下开采多采用留设矿柱和留护顶矿的方式对顶板进行管理，设计留设护顶矿厚度一般为0．5～1．0 m，在生产过程中铝土矿地下开采单采场回采率约为60％，其中护顶矿占17％以上，究其原因是无法相对准确留设护顶矿厚度，造成矿石损失较多，为此贵州猫场铝矿开展了直接顶板厚度快速探测的应用性试验研究，探索铝土矿直接顶板厚度快速探测方法，为采场回采作业过程中护顶矿留设厚度提供技术支撑，以提高采场回采率。

猫厂铝简介

猫场铝矿位于贵州省中部，贵阳清镇市犁倭乡境内，是中国铝业贵州分公司目前已取得采矿证的最大的铝土矿资源基地，矿区面积7．74 km2，生产规模100万t／a。猫场铝矿于2016年12月完成安全设施设计验收并进入生产期，矿区分三期开采，目前正在进行一期开采，根据设计开采范围，矿山一期开采中段主要包括l 140 m中段、1 160 1TI中段、1 180 m中段、1 200 m中段和1 220 m中段五个中段E4|，目前矿区正在进行1 140 m中段矿石的开采和1 180 m中段开拓工程掘进作业。

矿山开采顶板管理遇到的问题

猫场矿区矿体为缓倾斜薄至中厚矿体，矿体的直接顶板为黏土岩赋存于石炭系的大塘组C1d地层中，岩体厚度0～15．62 m，平均厚度1．77 m，矿体及直接顶板厚度变化大，形态复杂。矿体直接顶板的RQD平均值12．50％，岩体强度低，属于软质岩石块状结构不稳定岩体。表1为猫场铝矿直接顶板铝土岩、黏土岩岩石物理力学参数。

从顶板管理的角度对直接顶板进行了多组X衍射矿物物质成分分析(见图1)，可知矿区内直接顶板铝土岩和黏土岩中50％～60％以上的矿物物质是云母／伊利石和高岭石。

由于矿体直接顶板铝土岩和黏土岩中含有大量的遇水极易膨胀崩解的云母／伊利石和高岭石，因此当矿体开采完后，黏土岩和铝土岩遇到矿体间接顶板白云岩渗流出的水就会发生泥化、崩解，失去承载能力，进而导致采场直接顶板黏土岩和铝土岩的垮塌、冒落，严重影响制约了矿山的生产进度和生产能力。同时，猫场铝矿目前采用的留矿壁护顶房柱空场法，矿体直接顶板边界不清楚时，难以确定留设护顶矿壁的厚度，容易造成超采或欠挖，造成回采贫损指标高，降低了采出矿石品质，同时给回采安全带来严重的威胁。在矿山安全管理要求及下游氧化铝厂对铝土矿品质要求逐渐提高的环境下，为了寻求直接顶板厚度快速探测的方法和手段，开展直接顶板厚度探测工作，为采场顶板管理提供依据，对我国地下铝土矿开采具有重要意义。

土矿直接顶板厚度测定技术难点

1)研究资料稀缺，没有可借鉴的研究方法或技术成果。

目前关于岩层厚度测定的研究主要集中在煤层厚度的测定研究，煤层的物理化学性质完全不同于黏土岩等矿层，基本不具备参考价值。针对地下铝土矿地层超前探测研究尚属空白。

2)铝土矿地下赋存环境复杂。

矿体间接顶板由白云岩组成，赋存于石炭系的摆佐组C1b地层中，为矿区范围内主要含水层。矿区水文地质类型属岩溶裂隙含水层充水为主、顶底板直接进水，水文地质条件中等偏复杂类型，当矿体开采完后，黏土岩和铝土岩遇到矿体间接顶板白云岩渗流出的水就会发生泥化、崩解，失去承载能力[5]，进而导致采场直接顶板黏土岩和铝土岩的垮塌、冒落，严重影响到了采矿安全和加大了矿石的损失贫化。

3)采矿活动对直接顶板测定影响严重。

采准切割巷道的爆破开挖对矿体的直接顶板稳定性造成较大的影响：一是使黏土岩的力学性能劣化，造成强度和弹性模量降低；二是在黏土岩内产生裂纹或使围岩中原有裂纹扩展等，从而影响岩体的完整性，同时导致铝土矿的开采环境更加复杂。

接顶板厚度测定技术研究

4．1岩层探测技术分析

1)地质雷达探测法。地质雷达GPR，亦称探地雷达，有时又称为表层穿透雷达SPR，和表层下雷达SSR。此方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。它利用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射回波[6]。当GPR方法采用自激自收的天线和地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直电性分界面，因为电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随所通过的介质的电学性质及几何形态而变化，所以根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断介质的结构。

2)声波探测反射法。当声波在地下的传播过程中遇到弹性不同的岩层分界面时，要发生反射现象(其规律同几何光学十分相似)，被反射返回岩体表面就引起了岩体表面的振动[7]。在岩体表面所布置的测线上安置着检波器，测量波的旅行时间与地面各接收点间的位置关系以及在介质中传播速度，可确定反射界面埋深、倾角等参数。声波在围岩传播过程遵循惠更斯一菲涅尔原理和费马原理。根据地震勘探经典理论，声波波动所反映的信息既不是一条射线者一个剖面，它所反映的是一个体的信息，体的大小取决于菲涅尔带半径(R)，在地表半空间内菲涅尔带半径也即是地震波所反映地质体的深度(h)。

3)数字式全景钻孔摄像法。钻孔摄像技术(BCT)依靠光学原理使人们能直接观测到钻孔的内部[8]。这一技术的出现是基于当代科学技术的发展，特别是在照相和摄像设备的小型化方面的突破，然而现代数字技术的成就又进一步地将钻孑L摄像技术推向到一个更高的水平。

4．2直接顶板探测设备

根据各岩层探测技术优缺点对比分析，结合猫场铝矿直接顶板及邻近岩层物理电化性质和地下矿山井下工况条件，选用便携式地质雷达对猫场铝矿矿体直接顶板厚度进行探测。经过调研国内外地质雷达技术与应用情况(见表3)，经过与设备厂商进行交流，初步选择南非陆泰克公司生产SSP地质雷达进行现场应用试验。SSP地质雷达具有数据实时处理，现场快速成像的特点，与传统地质雷达技术相比，通过无线传输，将探测的原始数据实时传回手持式终端进行处理分析，可以更加直观的显示被测区域的内部情况，不需要进行波形解译等操作，有效的降低了雷达技术在实际工程中的应用障碍，提高了使用效率。SSP重4．5 kg，最大探测深度可达6m。

场试验及数据分析

在猫场铝矿1 160 m中段南部1-2切割平巷、南部7—2切割平巷、北部。一2切割上山、北部。一1切割平巷和北部1—1切割平巷进行了SSP测定矿体直接顶板厚度试验(见图3)。现场试验完毕后，通过分析现场收集的图像给出了测试地点的直接顶板厚度，同时采用钻孔验证的方式对试验地点的矿体和直接顶板厚度进行打钻验证，验证结果如表4所示，直接顶板现场探测图见图4。

结论

1)根据对猫场矿区矿体和直接顶板厚度测定数据显示，矿体和直接顶板总厚度误差为o．65 m，试验探测表明矿体和直接顶板界线不明确，岩层物理电化性质呈渐变式过渡。考虑到测试点岩体表面不平、每个测点单点布置等因素，SSP地质雷达测定数据存在的差值在工程上是可以接受的，SSP地质雷达本次现场试验达到了预期效果。

2)便携式探地雷达的应用，可以快速检测并定位地下铝土矿直接顶板的厚度，对合理确定采幅和护顶矿厚度以及巷道支护工作提供定量指导依据，采矿作业过程便于及时发现与评估冒顶、塌方的位置，保障作业安全的同时降低矿体贫损。

参考文献

[1]韩伟．铝土矿长壁式开采回采巷道支护技术研究[D]．太原：太原理工大学，2013．

[2]WANG S，LI X．Bauxite orebody demarcating and virtualmining for mining optimization within an underground bauxiteseam，Southwest China[J]．Environmental Earth Sciences，2018。77(6)：221．

[3]杨杰．地下铝土矿开采的主要风险及控制[J]．现代职业安全，2014(10)：93—95．

[4] 长沙有色冶金设计研究院有限公司．中国铝业股份有限公司贵州分公司猫场矿。一24线地下开采工程初步设计[R]．长沙：长沙有色冶金设计研究院有限公司，2012．

[5]幸新涪，周火明，卢阳，等．泥岩力学参数遇水软化特性试验研究[J]．地下空间与工程学报，2016，12(增刊2)：498—503．

[6]茹瑞典，张金才，戚筱�。刂世状锾讲饧际醯挠τ醚芯縖J]．工程地质学报，1996．4(2)：51—56．

[7]简文彬，简洪钰．声波探测技术判别某水电站坝址区岩体缺陷[J]．地下空间与工程学报，2006，2(6)：1053—1056．

[8]庞智成．基于高精度数字钻孔图像的岩体不连续面分析方法研究[D]．武汉：武汉岩土力学研究所，2007．

(《有色金属》矿山部分，收稿日期2018-11)

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